基于SiC器件车载双向全桥CLLC谐振变换器设计及其控制方法研究

王涛　罗文广

摘  要：针对传统的控制策略动态性能不足，电压达到稳态值较慢，受到负载切换扰动较大及SiC mosfet反向导通压降较大等缺点，提出了一种对CLLC谐振变换器的自抗扰控制策略，在无需对CLLC谐振变换器精确建模的情况下，建立扩张状态观测器和设计PD控制器，将副边设计为有源整流桥，以提升动态响应性能，降低超调量，减小超调时间，减少谐波含量，在不增加额外器件的情况下减小损耗，进一步提升变换器的功率密度，降低了二极管压降对于整流电压的不利影响，对输出电压进行参数优化.设计了一个输入为350 V，输出为300 V，功率3 kW的双向全桥CLLC谐振变换器，以罗姆公司sct3060al-e SiC mosfet的数据为例，运用该方法通过simulink对变换器进行正向、反向仿真验证.结果表明，与传统控制策略对比仿真，其超调量从3.3%降低至1.6%，且超调时间更短，系统谐波含量更少.验证了对于CLLC谐振变换器采用自抗扰控制相比于传统控制策略具有超调量小、调节时间短、输出电能质量好的优点.

关键词：CLLC谐振变换器;自抗扰控制;SiC器件;软开关

中图分类号：TM46DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2021.02.006

0引言

随着科技的发展，在电力电子领域，对功率变换器的功率密度、转换效率、动态性能等要求不断提高[1-3].目前将新兴的宽禁带半导体材料应用于功率变换器成为热点话题.宽禁带半导体材料优越的特性为电力电子技术发展带来了新的提升.相较于硅材料，碳化硅材料具有更高的电子饱和速度、更低的功率器件功率损耗，且碳化硅材料的单位面积载流能力强，故器件的功率密度得以提高[4-5].文献[6]对半桥LLC拓扑选用碳化硅器件进行参数设计，实现了软开关，为SiC器件在LLC變换器应用中提供了理论分析.但其设计的开关谐振频率为 40 kHz，对于SiC mosfet来说设计较为保守.文献[7]将SiC器件应用于混合动力汽车和电动汽车上，大幅降低油耗，扩大驾驶舱空间.文献[8]提出一种SiC三相逆变器热设计方法，分析了散热器热阻值几何结构、特性参数的关系，并验证该热设计方法的合理性与正确性，但没有考虑到SiC mosfet的压降问题.

文献[9-11]介绍了软开关的原理，将软开关与传统的硬开关作对比设计，突出了软开关能够降低开关损耗，提升转换效率的特点.但文中的控制方式为开环控制，无自动纠偏能力.文献[12-13]引入高频软开关技术，可在宽泛的输入电压范围内可靠工作，电源开关以半桥的形式连接，但该拓扑结构电压应力较大，不适用于电压等级较高的场合.文献[14]中相较于半桥功率变换器，全桥功率变换器开关管应力仅为其一半，因此，能实现较大功率的变换.其中双向CLLC全桥谐振变换器相较于普通LLC谐振变换器，实现双向隔直，避免因电压方波不对称导致变压器偏磁饱和的问题，但其采用的传统PI控制策略，当负载切换扰动较大时，其响应速度比较慢、波动较大.

对于车载双向DC/DC变换器而言，当汽车行驶工况改变时，变换器负载存在突变的情况，母线电压出现较大波动.因此，车用双向DC/DC变换器除了安全、可靠等常规要求外，还要求具备更高的动态响应性能.基于上述问题，本文针对CLLC谐振变换器设计了自抗扰控制策略，通过仿真对比传统控制策略验证了该控制策略的有效性，并针对CLLC变换器特点和SiC mosfet反向导通压降较大的特性，将副边设计为有源整流桥，在不增加额外器件的情况下减小损耗，进一步提升变换器的功率密度.

1基于SiC器件的车载双向全桥

CLLC谐振变换器设计

1.1   拓扑结构

双向全桥CLLC谐振变换器的拓扑结构如图1所示，包含充电模式和放电模式.双向CLLC谐振变换器由两个全桥电路和谐振网络组成，其中S1—S4和S5—S8构成两个全桥电路，[Lr1] 、[Lr2]、[Lm]、[Cr1]与[Cr2]构成谐振网络，且[Cr1]和[Cr2]起隔直作用，变压器起电气隔离作用.充电模式时，S1、S4与 S2、S3加占空比不超过50%的互补的驱动信号，S5—S8充当二极管进行整流;放电模式时，S5、S8与 S6、S7加占空比不超过50%的互补的驱动信号，S1—S4进行整流.

3仿真及分析

根据前面的分析设计，对系统正向和反向运行进行仿真.开关管采用罗姆公司sct3060al-e SiC mosfet的具体参数进行仿真，通态电阻为0.6 Ω，寄生二极管压降为3.2 V.分别对变换器在正向和反向运行时不同工作情况下进行仿真.正向仿真波形如图8—图11所示.图8中，原边开关管的漏源极电压下降为0时，开关管才开始导通，满足ZVS开通.图9中，变换器工作在谐振频率处，由于工作在谐振点，该谐振电流的波形近似为正弦波.由图10可知副边整流二极管恰好实现零电流关断（ZCS）.由图11可知，此时输出电压稳定在300 V.

反向仿真波形如图12—图13所示.同正向分析方法类似，可以看出全桥CLLC谐振变换器参数设计合理，能够实现ZVS和ZCS，并且输出电压电流稳定，设计可行.

CLLC谐振变换器的自抗扰控制（ADRC）框图及参数设计如图14—图15所示.

根据设计的模型和参数运用simulink进行仿真对比验证.图16为模拟汽车运行时由半载切换到满载时电压动态响应图，其中虚线为传统的PID控制策略动态响应曲线，实线为自抗扰控制动态响应曲线.

通过对比仿真可知，相较于PID控制策略，采用自抗扰控制策略的超调量从3.3%降低至1.6%，且超调时间更短，系统谐波含量更少.验证了对于新能源车CLLC谐振变换器采用自抗扰控制相比于传统的PID控制策略具有超调量小、调节时间短、抗扰性能强、输出电能质量好的优点.

4结束语

本文介绍了全桥CLLC谐振变换器的工作原理，利用基波分析法得到变换器的电压增益表达式.分析实现ZVS的约束条件，通过各个参数对增益的影响给出了简便的参数设计方法，并结合增益表达式画出增益曲线进行验证.针对新能源汽车行驶工况较为复杂，要求车用双向DC/DC变换器具有更高的动态响应性能，本文针对CLLC谐振变换器设计了自抗扰控制策略，通过仿真对比传统控制策略验证了该控制策略的有效性，并基于CLLC变换器特点和SiC mosfet反向导通压降较大的特性，将副边设计为有源整流桥，在不增加额外器件的情况下减小损耗，进一步提升变换器的功率密度，降低了SiC mosfet的二极管压降对于整流电压的不利影响，实现了对输出电压参数的优化.

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Design and control method of vehicle bidirectional full bridge CLLC resonant converter based on SiC device

WANG Tao1，2， LUO Wenguang*1，2

（1. School of Electric and Information Engineering， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545006， China;2. Guangxi Key Laboratory of Automobile Componment and Vehicle Technology（Guangxi University of Science and Technology）， Liuzhou 545006， China）

Abstract： The driving conditions of new energy vehicles are more complicated， and the two-way DC/DC converters for vehicles are required to have higher dynamic response performance. Aiming at the shortcomings of traditional control strategies such as insufficient dynamic performance， slower voltage reaching the steady-state value， greater disturbance of load switching， and greater reverse voltage drop of SiC mosfet， an auto disturbance rejection control strategy for CLLC resonant converters is proposed. An extended state observer is established and a PD controller is designed without the need for accurate modeling of CLLC resonant converter. The secondary side is designed as an active rectifier bridge to improve the dynamic response performance， reduce overshoot， overshoot time and harmonic content. The power density of the converter is further improved by reducing the loss without adding additional devices， and the adverse effect of diode voltage drop on the rectifier voltage is reduced. The output  voltage parameters are optimized. A bidirectional full-bridge CLLC resonant converter with an input of 350 V， an output of 300 V， and a power of 3 kW is designed. Taking the data of Rohm's sct3060al-e SiC mosfet as an example， this method is used to forward and reverse the converter through simulink Simulation.  The  results show that compared with the traditional control strategy，  the  overshoot  is reduced from 3.3% to 1.6%， and the overshoot time is shorter. The system has less harmonic content. Compared with the traditional control strategy， the use of auto-disturbance rejection control for the CLLC resonant converter has the advantages of small overshoot， short adjustment time and good output power quality.

Key words： CLLC resonant converter; auto disturbance rejection control; SiC device; soft switching

（責任编辑：黎   娅）

收稿日期：2020-11-30

基金项目：国家自然科学基金项目（61563006）;广西自然科学基金重点项目（2020GXNSFDA238011）资助.

作者简介：王涛，硕士研究生.

通信作者：罗文广，教授，硕士生导师，研究方向：智能控制及应用、汽车电子控制技术，E-mail：lwg168@126.com.